Fue construida gracias a la donación realizada en 1733 por don Ignacio Zevallos Bustillo, destinada a una casa de la Compañía de Jesús para dar auxilio espiritual a los pobladores del Alto de San Pedro, adonde se llegaba cruzando el arroyo Tercero del Sur, límite virtual entre la ciudad y el arrabal.

Las obras se iniciaron en 1735, según planos del jesuita Andrés Blanqui, y fueron dirigidas sucesivamente por los jesuitas Juan Bautista Prímoli y José Schmidt, y por el arquitecto italiano Antonio Masella.

La iglesia, denominada Nuestra Señora de Belén, es parte de un conjunto que integraban además el colegio o residencia y la casa de ejercicios espirituales. En 1767, expulsados los jesuitas, pasó a depender de los padres bethlemitas. El 15 de diciembre de 1813, la iglesia de Nuestra Señora de Belén se convirtió en sede de la parroquia de San Pedro Telmo.

Precedida por un atrio cercado por rejas de hierro forjado, tiene planta en cruz latina con tres naves, la central cubierta por una bóveda de cañón corrido y las laterales por bóvedas de crucería. En el transepto se eleva, sobre tambor octogonal, una cúpula de construcción tardía (entre 1857 y 1876), obra de José Della Valle. La sencillez de la cúpula contrasta con la complejidad de las torres-campanario de tres cuerpos, uno de base cuadrangular y los otros de base octogonal.

En una intervención que desvirtuó los rasgos coloniales que el interior del templo aún conserva, la fachada fue transformada íntegramente por Pelayo Sanz (1931), de acuerdo con un diseño neocolonial.

El interior de líneas muy sencillas guarda valiosos altares y pinturas de la escuela cuzqueña. Entre ellas, se destaca la serie de Las Sibilas, ubicadas en la sacristía.

Los claustros fueron restaurados en el año 2000. En la actualidad funciona aquí un museo que atesora piezas de más de 200 años de antigüedad. Es Monumento Histórico Nacional desde 1942, según Decreto 120.412.